docs(plans): мощный план Физики 9 — 19 флагман-интерактивов и симуляторов

2026-05-30 09:59:59 +03:00
parent a3f7e9976e
commit 8f1fba25f9
1 changed files with 409 additions and 0 deletions
@@ -0,0 +1,409 @@
 # План: мощные интерактивы и симуляторы для Физики 9
 **Дата:** 2026-05-30
 **Контекст:** третий план, дополняет [PLAN_PHYSICS_9_VISUAL.md](PLAN_PHYSICS_9_VISUAL.md) (фазы 1-3 сделаны) и [PLAN_PHYSICS_9_PER_PARAGRAPH.md](PLAN_PHYSICS_9_PER_PARAGRAPH.md) (Wave A-G сделаны).
 **Цель:** добавить **флагманские** интерактивы — крупные симуляторы / мини-игры / физические песочницы. По 1-3 на главу. Каждый = «вау-эффект», который запомнится школьнику.
 ---
 ## Принцип «флагмана»
 Не очередной slider+калькулятор, а:
 - **Полноэкранный** интерактив (~ 600×500 px)
 - **Анимация** в реальном времени (`requestAnimationFrame`)
 - **Управление мышкой / клавиатурой** (drag, click, keyboard)
 - **Real-time графики** связанные с симуляцией
 - **Сохранение результатов** в localStorage (рекорды)
 - **Геймификация** — score, баллы, медали
 ---
 ## ⭐ Глава 1 · Кинематика — 4 флагмана
 ### F1. Конструктор траектории  
 **§5** (путь vs перемещение)
 - Пользователь **рисует мышкой** на canvas произвольную кривую.
 - Программа автоматически считает:
  - **Путь** $s$ — длина кривой (через сумму отрезков)
  - **Перемещение** $|\Delta\vec r|$ — расстояние start→end
  - Отношение $s/|\Delta\vec r|$
 - Кнопка «Закрыть петлю» — соединяет конец с началом, $\Delta r = 0$.
 - Шаблоны: прямая, дуга 180°, полная окружность, зигзаг.
 - **Wow:** видно, что $s \ge |\Delta\vec r|$, всегда.
 - ~400 LOC
 ### F2. Гонка двух тел  
 **§9** (встреча двух тел)
 - Симуляция гонки: два автомобиля с разными $v_0$, $a$ на одной трассе.
 - Пользователь меняет параметры **до старта**, нажимает «Старт».
 - Анимация: автомобили едут по трассе.
 - **Real-time графики** $x_1(t)$ и $x_2(t)$ строятся слева от трассы.
 - Момент встречи — подсвечен пересечением графиков + звуковой сигнал.
 - Кнопка «Случайный сценарий» для тренировки.
 - **Wow:** одновременно видна симуляция и математическая зависимость.
 - ~500 LOC
 ### F3. Тахометр + спидометр + одометр  
 **§11-13** (равноуск. движение)
 - Виртуальный автомобиль с **3 связанными приборами**:
  - Тахометр (показывает $a$)
  - Спидометр (показывает $v$)
  - Одометр (показывает $\Delta x$ за время)
 - Управление: педаль газа (slider $a$) и педаль тормоза.
 - Реалистичная динамика: при отпускании газа — медленное торможение (трение). При тормозе — резкое.
 - **Графики** $v(t)$ и $a(t)$ записываются.
 - Цель: разогнаться до 60 км/ч и затормозить за ~50 м (как в реальных тестах).
 - **Wow:** игра в автогонщика + интуитивное понимание кинематики.
 - ~600 LOC
 ### F4. Орбитальный конструктор  
 **§16-18** (Кеплер, окружность)
 - Симулятор «запусти спутник»: Земля в центре, мышью **тянешь стрелку** $\vec v$ начальной скорости и **отпускаешь**.
 - Спутник летит по орбите согласно Ньютону+Кеплеру.
 - Цвет траектории: круг (идеал) / эллипс / парабола / убегание.
 - Подписи: $T$, $a$, эксцентриситет.
 - Слайдер «масса Земли» — меняет тяготение.
 - **Wow:** видишь, что нужна **определённая** скорость для круговой орбиты.
 - ~600 LOC
 ---
 ## ⭐ Глава 2 · Динамика — 4 флагмана
 ### F5. Машина Атвуда  
 **§19-22** (динамика связанных тел)
 - Виртуальная установка: две массы $m_1$, $m_2$ через блок на нити.
 - Slider'ы: $m_1$, $m_2$, $\mu$ (трение в блоке).
 - Запуск: бо́льшая масса опускается, меньшая поднимается.
 - Реальная физика: $a = (m_1 - m_2)g/(m_1+m_2)$.
 - Подсветка сил: $\vec T$ натяжение, $\vec g$ вес.
 - График $v(t)$ — линейный (равноуск).
 - **Wow:** классический школьный опыт в виртуале.
 - ~500 LOC
 ### F6. Симулятор скоростной дороги  
 **§20** (трение), **§22** (F=ma)
 - 2D-вид: автомобиль на дороге с разным покрытием (асфальт сухой/мокрый, лёд, гравий).
 - Slider $\mu$ автоматически по покрытию.
 - Включаем тормоз: автомобиль скользит на расстояние $s = v^2 / (2 \mu g)$.
 - При большом $v$ + малом $\mu$ — занос.
 - **Wow:** видно, насколько лёд опасен — путь торможения растёт в 5 раз.
 - ~400 LOC
 ### F7. Лифт с динамометром  
 **§24** (вес, перегрузка, невесомость)
 - Лифт в высоком здании. На полу динамометр с грузом 1 кг.
 - Кнопки: «Этаж 1», «Этаж 10», «Аварийный спуск».
 - При движении видно показания динамометра и анимацию.
 - **Параметры:** $a_{разгон}$, $v_{макс}$ настраиваются.
 - График $P(t)$ записывается.
 - Особый режим: «свободное падение» → невесомость, груз висит.
 - **Wow:** наглядное переживание перегрузки.
 - ~500 LOC
 ### F8. Полигон трения  
 **§20**
 - Шарик скатывается с пружинной катапульты по плоскости с **разными зонами** ($\mu$ меняется через каждые 30 см).
 - Пользователь рисует профиль зон (drag&drop материалов: лёд, асфальт, мел).
 - Шарик скользит, замедляется в зависимости от $\mu$.
 - Цель: попасть в красную мишень.
 - Калибровка через начальную скорость катапульты.
 - **Wow:** инженерная задача про разные покрытия.
 - ~600 LOC
 ---
 ## ⭐ Глава 3 · Статика — 2 флагмана
 ### F9. Конструктор моста  
 **§25-28** (равновесие, рычаг, момент)
 - На canvas — балка на 2 опорах.
 - Пользователь **добавляет** грузы перетаскиванием (drag) в любую точку балки.
 - Программа считает реакции опор $N_1$, $N_2$ через систему 2 уравнений ($\Sigma F = 0$, $\Sigma M = 0$).
 - При перегрузке — балка прогибается / ломается.
 - Цель: построить «мост» который выдержит автомобиль (фиксированный груз 1000 Н) в любой точке.
 - **Wow:** инженерный квест.
 - ~700 LOC
 ### F10. Виртуальный аквариум  
 **§29-30** (Архимед, плавание)
 - Большой аквариум на canvas.
 - Слева — палитра тел разной плотности (дерево, пенопласт, пластик, металл, золото).
 - Drag&drop тел в аквариум: правильная физика — плавают, тонут, висят.
 - Slider жидкости: вода → масло → ртуть.
 - При смене жидкости тела перераспределяются (золото в ртути плавает!).
 - **Wow:** интерактивный «фокус» с ртутью.
 - ~500 LOC
 ---
 ## ⭐ Глава 4 · Импульс / Энергия / Колебания — 4 флагмана
 ### F11. Бильярдная физика  
 **§31-32** (ЗСИ)
 - 2D-бильярдный стол с 1 битком + 4 шарами.
 - Перетаскивание прицела + slider «сила удара».
 - Реальная физика упругих ударов между шарами.
 - Real-time векторы импульса до/после.
 - Цель: сделать карамболь (тройной удар).
 - **Wow:** игра + физика.
 - ~700 LOC
 ### F12. Американские горки  
 **§35** (ЗСМЭ)
 - Пользователь **рисует профиль** горки (мышкой задаёт высоты).
 - Шарик скатывается с начала, физика: $E = E_k + E_p = $ const (без трения) или с диссипацией.
 - Real-time графики: $E_p$, $E_k$, $E_{total}$ на 3-х кривых.
 - Можно добавить «петлю» (loop) — расчёт минимальной высоты старта.
 - Slider «трение» — графики $E_{total}$ спадают.
 - **Wow:** «спроектируй сам аттракцион».
 - ~700 LOC
 ### F13. Маятник Фуко  
 **§36** (колебания + вращение)
 - Длинный математический маятник, его плоскость колебаний **поворачивается** относительно земли из-за вращения.
 - Slider: широта (на полюсе вращается за 24 ч, на экваторе не вращается).
 - Анимация: вид сверху, ход маятника записывает «розетку».
 - **Wow:** красивая, исторически значимая демонстрация (Париж, 1851).
 - ~500 LOC
 ### F14. Спектр колебаний (резонанс)  
 **§36**
 - Пружинный маятник с внешней периодической силой.
 - Slider частоты внешней силы $\nu_{внеш}$.
 - Когда $\nu_{внеш} \approx \nu_{собств}$ — амплитуда колебаний нарастает.
 - График амплитуды от $\nu_{внеш}$ — классический резонансный пик.
 - Аналог: «настройка струны гитары», «разрушение моста».
 - **Wow:** объясняет, почему рота не марширует через мост.
 - ~500 LOC
 ---
 ## 🔬 Глава 5 · Лаборатория — 3 флагмана-практикума
 ### F15. Виртуальная лаборатория свободного падения  
 **ЛР 6**
 - Стробоскопический эффект: тело падает, на нём отметки через равные промежутки.
 - Пользователь измеряет расстояния линейкой (виртуальная линейка на canvas).
 - Таблица заполняется автоматически из измерений.
 - Расчёт $g$ по серии 5-6 измерений + погрешность.
 - **Wow:** реальный лабораторный отчёт получается за 5 минут.
 - ~500 LOC
 ### F16. Лаборатория законов сохранения  
 **ЛР 7**
 - Тележка на наклонной + датчики скорости.
 - Запускается с разных высот, измерения автоматически.
 - Серия из 5 запусков: $h_1, v_1$; $h_2, v_2$; ...
 - Расчёт КПД через сравнение $E_p^{0}$ и $E_k^{внизу}$.
 - График «отклонение от ЗСМЭ vs скорость» — видна систематическая ошибка от трения.
 - **Wow:** настоящие лабораторные навыки.
 - ~600 LOC
 ### F17. Лаборатория маятника  
 **ЛР 4, ЛР 12**
 - Несколько маятников рядом: математ., пружинный, физический.
 - Запуск синхронно, измерение $T$ автоматически.
 - Цель: подобрать $l$ так, чтобы $T = 2$ с (секундный маятник).
 - Дополнительно: изменение $g$ (на Луне, Марсе) → как меняется $T$.
 - **Wow:** «найди $g$ на Марсе по периоду маятника».
 - ~500 LOC
 ---
 ## 🏆 Финал курса — 2 флагмана
 ### F18. Магистр-симулятор  
 - Большой интерактив **«построй сценарий движения тела»**:
 - Точка А → точка Б через любые этапы (равном., равноуск., свободное падение, …).
 - Пользователь собирает цепочку этапов как конструктор LEGO.
 - Программа автоматически рисует $x(t)$, $v(t)$, $a(t)$.
 - Проверка корректности сценария: «достижимо ли?»
 - Сохранение в галерею (localStorage), share-кнопка (URL с сценарием в параметрах).
 - **Wow:** портфолио своих физических задач.
 - ~800 LOC
 ### F19. Финальный босс — «Полёт ракеты»  
 - Симулятор взлёта ракеты с Земли:
 - Параметры: масса ракеты, масса топлива, $q$ (скорость истечения газов), $G$.
 - Реальная физика: уравнение Циолковского + сила тяжести + сопротивление воздуха.
 - График $h(t)$, $v(t)$, остаток топлива.
 - Цель: вывести спутник на орбиту 400 км (МКС).
 - **Wow:** реальная инженерная задача, объединяющая ВСЁ из курса.
 - ~1000 LOC
 ---
 ## 📊 Сводка флагманов
 | # | Название | Глава | LOC | Приоритет |
 |---|---|---|---|---|
 | F1 | Конструктор траектории | §5 | 400 | ⭐ |
 | F2 | Гонка двух тел | §9 | 500 | 🔥 |
 | F3 | Тахометр + спидометр | §11-13 | 600 | 🔥 |
 | F4 | Орбитальный конструктор | §16-18 | 600 | 🔥 |
 | F5 | Машина Атвуда | §19-22 | 500 | ⭐ |
 | F6 | Симулятор дороги | §20 | 400 | ⭐ |
 | F7 | Лифт с динамометром | §24 | 500 | ⭐ |
 | F8 | Полигон трения | §20 | 600 | 💡 |
 | F9 | Конструктор моста | §25-28 | 700 | 🔥 |
 | F10 | Виртуальный аквариум | §29-30 | 500 | ⭐ |
 | F11 | Бильярдная физика | §31-32 | 700 | 🔥 |
 | F12 | Американские горки | §35 | 700 | 🔥 |
 | F13 | Маятник Фуко | §36 | 500 | ⭐ |
 | F14 | Резонанс | §36 | 500 | ⭐ |
 | F15 | Лаб. свободное падение | ЛР 6 | 500 | ⭐ |
 | F16 | Лаб. ЗСЭ | ЛР 7 | 600 | ⭐ |
 | F17 | Лаб. маятника | ЛР 4,12 | 500 | ⭐ |
 | F18 | Магистр-симулятор | Финал курса | 800 | 🔥 |
 | F19 | Полёт ракеты | Финал курса | 1000 | 🔥 |
 | **Σ** | **19 флагманов** | | **~10 600 LOC** | |
 **🔥 Критично (8):** F2, F3, F4, F9, F11, F12, F18, F19
 **⭐ Важно (10):** F1, F5, F6, F7, F10, F13, F14, F15, F16, F17
 **💡 Nice-to-have (1):** F8
 ---
 ## 🛠 Технологический стек для флагманов
 ### Базовые библиотеки (без внешних зависимостей)
 - **Canvas 2D** — для большинства симуляций (производительно)
 - **SVG** — для статических интерактивов (легко стилизуется, тёмная тема)
 - **Web Audio API** — для звуковых эффектов (опционально)
 - **requestAnimationFrame** — с RAF-реестром для cleanup при unmount
 - **localStorage** — для сохранения настроек, рекордов
 - **Web Workers** — для тяжёлых вычислений (F4 орбита, F19 ракета)
 ### Архитектурное правило
 Каждый флагман — **отдельный модуль** `phys9_flag_FN_name.js` в `frontend/js/flagships/`. Подключается **только в нужном параграфе** через ленивую загрузку (динамический `<script>`).
 ### Шаблон файла:
 ```javascript
 // phys9_flag_F2_race.js — Гонка двух тел (§9)
 (function(){
 'use strict';
 const C = () => window.PHYS9_COLORS || {};
 let _running = false, _raf = 0;
 function init(secId){
  const box = document.getElementById(secId+'-body');
  if (!box || box.querySelector('.flag-F2')) return;
  // Создать UI...
  // Запустить sim...
 }
 function cleanup(){ if(_raf) cancelAnimationFrame(_raf); _raf = 0; _running = false; }
 window.PHYS9_FLAGS = window.PHYS9_FLAGS || {};
 window.PHYS9_FLAGS.F2 = { init: init, cleanup: cleanup };
 })();
 ```
 ### Подключение
 В `phys9_chN_widgets.js` для соответствующего параграфа:
 ```javascript
 function add_p9(){
  // ... обычный виджет (slider+калькулятор)
  if (window.PHYS9_FLAGS && window.PHYS9_FLAGS.F2) {
    appendTo('p9', wgWrapper('p9-flag', 'ФЛАГМАН', 'Гонка двух тел', '...', '<div id="flag-F2-host"></div>'));
    window.PHYS9_FLAGS.F2.init('p9');
  }
 }
 ```
 ---
 ## 🚀 Порядок реализации
 ### Фаза 1 — Подготовка инфраструктуры (1 коммит)
 - [ ] Создать каталог `frontend/js/flagships/`
 - [ ] Создать `phys9_flag_base.js` — общие хелперы (RAF-реестр, canvas init, controls)
 - [ ] Создать CSS `frontend/css/phys9-flagships.css` — стили карточек, кнопок, прогресс-баров
 - [ ] Документ-шаблон для каждого флагмана
 ### Фаза 2 — Wave A (флагманы Главы 1): F1, F2, F3, F4 (4 коммита, ~2100 LOC)
 **Целевая глава:** Кинематика
 - F1 Конструктор траектории (1 коммит)
 - F2 Гонка двух тел (1 коммит)
 - F3 Тахометр + спидометр (1 коммит)
 - F4 Орбитальный конструктор (1 коммит, ~600 LOC, требует Web Worker)
 ### Фаза 3 — Wave B (Глава 2): F5, F6, F7, F8 (4 коммита, ~2000 LOC)
 - F5 Машина Атвуда
 - F6 Симулятор дороги
 - F7 Лифт с динамометром
 - F8 Полигон трения (опционально)
 ### Фаза 4 — Wave C (Глава 3): F9, F10 (2 коммита, ~1200 LOC)
 - F9 Конструктор моста (большой, drag&drop, рассчёт реакций опор)
 - F10 Виртуальный аквариум
 ### Фаза 5 — Wave D (Глава 4): F11, F12, F13, F14 (4 коммита, ~2400 LOC)
 - F11 Бильярдная физика
 - F12 Американские горки
 - F13 Маятник Фуко
 - F14 Резонанс
 ### Фаза 6 — Wave E (Лаборатория): F15, F16, F17 (3 коммита, ~1600 LOC)
 - F15 Свободное падение
 - F16 ЗСЭ
 - F17 Маятник
 ### Фаза 7 — Финал курса: F18, F19 (2 коммита, ~1800 LOC)
 - F18 Магистр-симулятор
 - F19 Полёт ракеты
 ### Фаза 8 — Полировка (1 коммит)
 - [ ] Все RAF имеют пауза/сброс
 - [ ] Все симуляции корректно убираются при `goTo` другого §
 - [ ] Тёмная тема: все цвета через PHYS9_COLORS
 - [ ] Респонсив: max-width 800px, height auto
 - [ ] a11y: aria-label на интерактивных canvas
 ---
 ## 📈 Оценка прироста качества
 **До:** 48 виджетов уровня «slider + калькулятор», тёмная тема, прогресс-бары.
 **После:** 19 флагманов с настоящей симуляцией, интерактивом, геймификацией.
 | Метрика | До | После |
 |---|---|---|
 | Engagement time per § | ~2 мин | **~10 мин** |
 | Уникальных интерактивов | 48 | **48 + 19 = 67** |
 | LOC | ~2 000 | **~12 600** |
 | Бонусы (XP) | 600 | **~1500** |
 | Запоминаемость | средняя | **высокая** |
 ---
 ## ⚠️ Архитектурные риски
 1. **Размер бандла**: 19 флагманов × ~600 LOC = ~12 KB JS на главу. Решение — **ленивая загрузка** через динамический `<script>`.
 2. **CPU**: симуляции в RAF могут тяжко грузить устройство. Решение — `IntersectionObserver` (пауза если интерактив не на экране).
 3. **Запуск legacy экстрактора** не должен убить эти модули — они НЕ в `phys9_legacy.js`, а в отдельных файлах.
 4. **Тёмная тема**: все цвета **обязательно** через PHYS9_COLORS, иначе при переключении выглядит сломанно.
 5. **Совместимость с расширением задач** в финалах — флагман в финале НЕ должен мешать прогресс-бару.
 ---
 ## 🎬 Запуск
 Рекомендация: начать с **Фазы 2** (Wave A — Кинематика). Это:
 - 4 флагмана, ~2100 LOC, ~4 коммита
 - Покрывает самую важную главу
 - Даёт сразу видимый результат
 - F2 Гонка двух тел — идеальный пилот (компактный, понятный)
 После завершения Wave A — решить продолжать ли или хватит пилотов.
 ---
 ## 🔗 Связанные документы
 - [PLAN_PHYSICS_9.md](PLAN_PHYSICS_9.md) — исходный план учебника
 - [PLAN_PHYSICS_9_VISUAL.md](PLAN_PHYSICS_9_VISUAL.md) — горизонтальные фазы (Phase 1-3 done)
 - [PLAN_PHYSICS_9_PER_PARAGRAPH.md](PLAN_PHYSICS_9_PER_PARAGRAPH.md) — детальный (Wave A-G done)
 - [PLAN_PHYSICS_10.md](../textbooks-10/PLAN_PHYSICS_10.md) — образец крупных симуляций